水稻重金屬生態毒性診斷研究進展

李 歡 陳 亮 潘 瓊 謝 武

（1.長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙 410004；2.湖南省環境保護科學研究院，湖南 長沙 410004）

1 生態毒理學概況

生態毒理學是研究有毒、有害物質以及各種不良生態因子對生命系統產生毒性效應，以及生命系統反饋解毒與適應進化及其機理與調控的一門綜合性科學。它的主要目的和任務是揭示有毒有害因素包括潛在的有毒有害因素對生態系統損害作用的規律，并為保護生態系統的健康提供策略和措施。可見，生態毒理學主要研究已知或可疑有害物質特別是環境中的污染物質對生態系統產生的影響和機理，包括對植物、動物和微生物個體健康、種群或群落以及生態系統可持續發展構成的危害作用及其微觀機理。

Newman把生態毒理學的研究內容分成3大部分：（1）生物富集：研究生物體對污染物的吸收、污染物在生物體內的轉運、解毒和消除機制，以及毒物在生物體內積累乃至沿食物鏈在生態系統中的富集效應；（2）毒理效應：研究污染物對分子、細胞、組織、器官、個體、種群、群落、生態系統、景觀和地球生物圈等各個層次的毒性效應和作用機理；（3）風險評價：研究污染物對生命系統各層次毒性效應的評價方法和技術。包括環境中污染物的生物標記（分子、生理與生化）、生物指示、生物多樣性評價、群落、生態系統和景觀的指示、監測和評研究污染物及其在環境中的降解和轉化產物在機體內的吸收、分布、排泄等生物轉運和代謝轉化過程，以了解污染物對機體造成的損害和作用機理。

生態毒理學的技術方法按1998年出版的專著Ecotoxicology明顯分為兩大類技術即：（1）宏觀分析技術：生物個體水平及以上的生物組成對污染的響應，主要包括常規毒性試驗（急性毒性試驗、亞慢性和慢性毒性試驗和蓄積毒性試驗）、微宇宙毒性試驗（水生微宇宙毒性試驗、土壤微宇宙毒性試驗）；（2）微觀分析技術：細胞水平以下對污染的響應，主要包括分子及細胞毒性生態毒性試驗（PCR-SCCP技術、熒光原位雜交技術、DNA損傷試驗、基因芯片技術、一般代謝酶活性的測定、解毒系統酶類誘導作用的檢測、抗氧化防御系統檢測和RAPD技術）以及生物致突變效應檢測（體外基因突變試驗、細胞遺傳學試驗、體內基因突變試驗）等。宏觀技術以生態學理論為基礎，以生物個體為基本單位，研究污染對生態系統中各層次（個體、種群、群落）的影響。微觀技術以細胞生物學理論為基礎，研究污染對單細胞、染色體及蛋白質、核酸等遺傳物質的效應。

綜上所述，水稻重金屬生態毒性診斷隸屬于生態毒理學的范疇。

2 植物的生態毒性診斷概述

高等植物是生態系統中的基本組成部分。一個平衡、穩定的生態系統可生長健康、優良的高等植物；反之，一個不穩定或受到外來污染的生態系統，對高等植物的生長可帶來不利和可見的負面影響。利用高等植物毒理試驗評價化學物質的毒性有二大優點：一是方法簡單，持續時間短；二是這種方法對毒物毒性比較敏感。目前植物生態毒性診斷的方法主要有：1）根伸長試驗；2）種子發芽試驗；3）早期植物幼苗生長試驗。

3 單一金屬對水稻的生態毒性診斷研究進展

重金屬是構成地殼的物質之一，它以不同的形態分布于自然界中，重金屬對水稻的作用主要與重金屬的種類和濃度有關，大多數研究表明，部分重金屬低濃度對水稻的生長發育沒有影響，甚至還會刺激生長，而當濃度過高則將嚴重影響其生長發育，使有毒重金屬在水稻體內大量累積，并會通過食物鏈傳遞，嚴重威脅人和動物的健康和生命。

重金屬對植物的毒性作用，根據其影響或危害的程度大小，可以分為毒性很大、毒性中等和毒性較小三種。Ag+、Be2+、Hg2+、Sn2+，可能還有 Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+和 CrO42+，是毒性很大的重金屬，在溶液中濃度達1mg·L-1時就對植物產生 毒 害。As、Se、Ba、Cd、Cr、Fe、Mn、Zn 等，在濃度為1~100mg·L-1范圍內對植物產生抑制影響，是中等毒性的重金屬。Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Rb+、Sr2+、Li+、NO3-、SO42-等，在溶液中元素濃度達1800mg·L-1以上時才產生影響，是毒性較小的金屬元素。以下介紹幾種單一金屬對水稻的生態毒性診斷：

3.1 錳（Mn）

錳（Mn）是植物生長的必需元素，它不僅是組成酶或輔酶的成分，而且是酶的活化劑。Mn在植物體內最重要的生理功能是作為植物葉綠體結構所必需的元素，參與光合作用，同時，還作為植物體內的一個重要的氧化還原劑，參與植物體內許多氧化還原體系的活動。所以Mn在植物的光合放氧、維持細胞器的正常結構、活化酶活力等方面具有不可替代的作用。但過量的Mn對植物也有明顯的毒害效應，包括大量活性氧的產生對植株造成氧化傷害和誘發植物缺乏鐵、鉬。人體攝入過量的Mn，則會引起Mn中毒，主要表現在神經系統方面，導致帕金森綜合癥，也對生殖系統、免疫系統產生影響。

截止到日前，尚未見到錳對水稻生態毒性診斷的相關報道，但已陸續出現一些關于Mn生態毒理研究的報道。朱端衛等人通過試驗發現，在不斷輪作的土壤上種植的油菜（Brassica campestris L.），其幼苗生長往往比較緩慢，植株新葉黃化，成熟葉片失綠明顯，嚴重者邊緣皺縮向下卷曲成勺狀，并有褐色斑點。經分析，土壤中交換性錳明顯增加，從而造成油菜對錳吸收過量。錳毒由于植物種類、營養物質及土壤環境的不同其表現有差異。Kitao在日本白樺（Betula platypHylla Var.japonica）試驗中發現，錳毒害程度還與葉的年齡以及錳的分布和濃度有關。錳毒典型癥狀類似缺鐵，一般在老葉上出現褐斑。這種壞死的褐斑已被作為錳毒指示性標志來檢測植物受錳毒害的程度。在危害部位上，曾琦等人發現，油菜錳毒害癥狀首先出現于葉片，然后逐漸向其它部位發展即錳毒首先抑制植物地上部生長，隨著錳毒害程度加劇，根系生長也相應受到明顯傷害，而植物在其它重金屬毒害時，根系才是最直接、最嚴重的受害器官之一，也就是說，在危害部位上，錳有別于其他重金屬。錳對植物各個水平上的毒害機制既有差異，又有聯系。不同植物及同一植物的不同品種在錳脅迫響應機制上表現出很大的差異，研究者們也提出了眾多機理，但由于錳毒及植物耐受機制的復雜性，至今還沒有哪一個機理能夠得到普遍的認可。

3.2 鉻（Cr）

有試驗研究表明，在投加鉻酸鹽的土壤中，低劑量時，鉻有一定刺激生長作用。鉻對水稻的危害及遷移能力都以六價鉻強于三價鉻，六價鉻對水稻種子的萌發及其生長發育都有一定影響。鉻在灌溉水中的濃度為5mg/L時，對作物有害；濃度為10mg/L時，作物出現嚴重的萎黃病；鉻與鎳協同作用時，鉻濃度僅2mg/L即對作物產生損害。石貴玉的試驗結果說明，重金屬鉻毒害使水稻植株矮小，葉片失綠，植株鮮重、干重下降，同時抗氧化酶活性下降。吸收的鉻主要積累在根中，其次是莖葉，少量積累在子粒里。

3.3 鎘（Cd）

鎘對水稻的危害，在較低濃度時雖在外部形態特征上無明顯癥狀，但通過食物鏈可危及人類健康。研究表明在鎘的毒害下，可誘導自由基產生，使水稻的保護酶活性降低，水稻幼苗葉片膜脂過氧化產物含量增加，從而抑制水稻幼苗生長發育。王逸群等以不同濃度的Cd2+處理水稻， 發現葉肉細胞中細胞核核膜破裂，核仁消失；葉綠體被膜受損，類囊體遭到破壞；線粒體被膜結構也受損， 內嵴逐漸解體。且隨著Cd2+濃度的提高，葉肉細胞中細胞核、葉綠體、線粒體受毒害程度加重。而且由于Cd2+能降低葉綠素與蛋白質結合的牢固度，能抑制原葉綠素酸酯還原酶活性，進而導致葉綠素降解，其含量顯著降低，從而使同化CO2能力下降，作為光合產物的糖類（尤其可溶性糖）減少。

細胞膜透性變化是評定植物逆境受傷害的重要指標。黃秋嬋等［24］通過試驗發現，Cd2+能使水稻細胞質膜透性顯著增加，使K+外流量增多，從而干擾了細胞的正常代謝：如淀粉酶活性降低，可溶性糖含量減少，呼吸作用變弱，因而導致傷害作用。同時該研究還表明Cd2+不但抑制根的伸長，而且影響側根的生長，破壞根的生長點，使側根原基失去發根能力，這可能與Cd2+改變或破壞膜結構有關：Cd2+可能與膜蛋白的巰基（-SH）結合（形成-S-Cd-S-），也可能與膜脂中的磷酯酰乙醇胺和磷酯酰絲氨酸反應。

3.4 硒（Se）

大多數情況下土壤中硒含量很低，平均為0.2mg/kg。低濃度的硒對植物的生長有利，過多的硒則有毒害作用。硒毒害表現為植物生長發育受阻、黃化，硒引起植物毒害的原因可能是硒酸鹽干擾了S的代謝。而譚周磁等的試驗說明水稻施硒能降低稻米中Pb、Cd、Cr的含量。在同等條件下，水稻施用低濃度的亞硒酸鈉后稻米中的Pb、Cd、Cr的含量有所降低。可見在確保稻米安全含硒量的前提下，水稻補施低濃度的硒能降低稻米中重金屬的含量，說明水稻施硒對重金屬有拮抗作用。

3.5 鉛（Pb）

低濃度的鉛處理能夠促進植株正常的生理代謝活動，如莖葉內硝酸還原酶活性、可溶性糖含量、葉綠素含量均有不同程度的增加，但隨著濃度的升高而表現出對水稻秧苗素質、生長發育狀況、生育期和產量的不良影響。匡少平等進行的水稻鹽襲試驗表明，當土壤中加入低濃度不同比例的鉛時，基本沒有觀察到鉛對水稻的毒害病癥，鉛對水稻的生長發育沒有明顯的宏觀影響。但微區調查揭示，水稻對土壤中的鉛具有強烈的吸收性，并可殘留在水稻的各個部位，且吸收量隨土壤中鉛濃度的提高而增加，其分布規律為：根>莖葉>糙米。MESMAR等人研究了鉛對小麥種子萌發、幼苗生長、葉綠素和蛋白含量的影響，20mmol/L的Pb（NO3）2對種子萌發的抑制率約達60%。生長對鉛的吸收為被動吸收，鉛對根生長的抑制大于芽生長，葉綠素隨處理濃度的增加而減少，而蛋白含量則增加。

4 復合重金屬對水稻的生態毒性診斷研究進展

重金屬污染常常是兩種或兩種以上元素同時作用形成的復合污染，如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同時進入土壤-植物系統。近十幾年來，國內外學者特別關注復合污染方面的研究，認為元素間的聯合作用對作物的產量及元素在作物體內的再分配有著至關重要的影響。同時，多元素的聯合作用是一個相當復雜的過程。美國Wallace等將重金屬的聯合作用分為協同、競爭、加和、屏蔽和獨立作用。

用重金屬復合（Cu，Zn，Pb，Cd，As等）對植物種子和生長的生態效應的研究顯示重金屬的復合協同毒性大于單一金屬。周啟星等人以乙草胺-Cu和Cd－Zn兩組污染物為代表，分別對小麥（Triticumae stivum） 、水稻 （Oryza sativa）等以水、土壤為環境介質進行復合污染生態毒理效應的定量關系研究，結果發現污染物本身的化學性質對復合污染生態效應所起的作用，要比其濃度組合關系的影響小得多；污染物暴露的濃度組合關系更為直接，在一定條件下甚至起決定作用；復合污染生態效應還與生物種類，特別是生態系統類型有關，也與這些污染物作用的生物部位有關。林立金等研究得出：鋅鉻復合污染不僅降低水稻生物量，增大根系比重，而且影響不同生育期土壤酶活性。鋅鉻復合污染對水稻不同生育期土壤過氧化氫酶活性均有抑制作用，且隨土壤中鋅鉻濃度的增加呈降低的趨勢；土壤脲酶活性、轉化酶活性在水稻分蘗期受到抑制，且隨土壤中鋅鉻濃度的增加呈降低的趨勢，而在孕穗期及灌漿結實期，則隨土壤中鋅鉻濃度的增加呈升高的趨勢，表明在重金屬脅迫下，土壤酶活性并不是簡單的受到抑制或促進，可能與水稻植株一起，通過調節自身的變化而向著適應逆境的方向發展。王新等［38］研究土壤-水稻系統中重金屬復合污染物交互作用及生態效應，表明復合污染處理水稻株高要低于單元素處理的株高，更低于空白，兩兩元素復合協同作用可抑制水稻株高的生長。水稻產量大小依此為空白> 單元素> 復合元素。

以上這些研究為環境重金屬污染水體及土壤的生態毒理診斷及環境質量的評價提供了科學的依據。

5 討論

生態毒理學是研究有毒、有害物質以及各種不良生態因子對生命系統產生毒性效應，以及生命系統反饋解毒與適應進化及其機理與調控的一門綜合性科學。它的主要目的和任務是揭示有毒有害因素包括潛在的有毒有害因素對生態系統損害作用的規律，并為保護生態系統的健康提供策略和措施。

生態毒理學主要研究已知或可疑有害物質特別是環境中的污染物質對生態系統產生的影響和機理，包括對植物、動物和微生物個體健康、種群或群落以及生態系統可持續發展構成的危害作用及其微觀機理。

水稻重金屬生態毒性診斷隸屬于生態毒理學的范疇。本研究從植物生態毒理學的角度，結合國內外研究成果，闡述了單一重金屬和復合重金屬在水稻中的生態毒性診斷研究進展，提出今后可以考慮追蹤重金屬在水稻中的運動規律，探討復合污染對水稻的生態毒性。

重金屬污染常常是兩種或兩種以上元素同時作用形成的復合污染，如污泥土地利用、污水灌溉等往往是多元素同時進入土壤-植物系統。近十幾年來，國內外學者特別關注復合污染方面的研究，認為元素間的聯合作用對作物的產量及元素在作物體內的再分配有著至關重要的影響。同時,多元素的聯合作用是一個相當復雜的過程。美國Wallace 等將重金屬的聯合作用分為協同、競爭、加和、屏蔽和獨立作用。各界學者所進行的相關研究為環境重金屬污染水體及土壤的生態毒理診斷及環境質量的評價提供了科學的依據。

就目前關于水稻重金屬生態毒性診斷的研究來看，重金屬在水稻的根、莖、葉、子粒中吸收、遷移、累積還只是停留在比較研究的階段，從分子遺傳學的角度對重金屬的吸收、遷移、累積規律研究較少。對單一污染研究較多，對復合污染研究較少。就控制機理研究來看，單一控制方法研究較多，綜合控制方法研究較少。故今后可以考慮追蹤重金屬在水稻中的運動規律，探討復合污染對水稻的生態毒性，提出基于當前形勢下的水稻食品安全防范措施。

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